Краткая историческая справка

В начале практического применения электрической энергии генераторы, двигатели и другие элементы электроустановок выполнялись с учетом лишь требований нормальных условий их работы. Будучи маломощными, первые электроустановки обладали достаточным запасом стойкости против механических, тепловых и других воздействий как в рабочих режимах, так и в аварийных ситуациях.

С увеличением мощности электроустановок их повреждения и значительные отклонения от нормальных условий работы сопровождались серьезными последствиями. Потребовалась разработка специальных мероприятий и средств для обеспечения работы электроустановок в аварийных ситуациях. Поскольку успех намечаемых мероприятий зависел от глубины знания явлений, происходящих в аварийных ситуациях, необходимо было разработать приемлемые методы расчета переходных процессов и увязать способы защиты электроустановок от повреждений с учетом переходных процессов, а также решить проблему устойчивости и другие задачи. До Великой Октябрьской социалистической революции исследования переходных процессов в электроустановках находились в начальной стадии. Применявшиеся методы расчета переходных процессов не имели должного теоретического обоснования и были весьма приближенными. Особенно ощутимо это проявилось в период осуществления ленинского плана ГОЭЛРО, когда возникла необходимость создания электрических систем и обеспечения их устойчивой работы, уточнения методов расчета переходных процессов в сложно разветвленных электрических сетях, разработки методов ограничения токов короткого замыкания (КЗ), средств защиты электроустановок от воздействия КЗ и решения других задач.

Советские ученые за короткое время провели ряд важных исследований в области переходных процессов. В течение 1926—1930 гг. Л. И. Сиротинским, В. П. Хащинским, Н. Н. Щедриным и А. А. Сму-ровым были исследованы переходные процессы в синхронных электрических машинах. В 1933—1934 гг. были изданы первые в мировой литературе книги по вопросам устойчивости электрических систем, в которых нашли отражение результаты отечественных исследований и обобщения разработок зарубежных ученых. В 1930—1935 гг. А. А. Горев и американский ученый Р. Парк независимо друг от друга составили дифференциальные уравнения электромагнитного переходного процесса синхронной электрической машины.

Предвоенные годы были периодом интенсивного развития научных основ, практических методов исследования переходных процессов и управления режимами электрических систем. На основании исследований Н. Н. Щедрина, С. А. Ульянова, А. Б. Чернина, Б. И. Розенберга и других ученых были уточнены и разработаны новые, более совершенные, методы расчета токов КЗ в электрических системах. В 1937—1938 гг. И. М. Маркович и С. А. Совалов обосновали предложенные ранее и ввели новые практические критерии оценки статической устойчивости систем. В это же время П. С. Жданов и К. А. Смирнов выявили природу лавины напряжения, предложили методы анализа устойчивости электрической нагрузки. В 1938—1940 гг. С. А. Лебедевым, И. А. Сыромятниковым и другими учеными были проведены теоретические и экспериментальные исследования применения автоматического регулирования возбуждения (АРВ), которое в дальнейшем было широко внедрено в электрические системы.

К исследованиям переходных процессов в электроустановках были привлечены научно-исследовательские и учебные институты (ВЭИ, МЭИ, ЛПИ и др.), крупные энергетические объединения (Мосэнерго, Ленэнерго) и проектные организации (институт «Теп-лоэлектропроект»).

В годы Великой Отечественной войны, когда энергетическое хозяйство западных районов страны было разрушено, большое развитие получила энергетика Урала и восточных районов, потребовавшая дальнейшего интенсивного продолжения исследований повышения надежности энергетических систем этих районов в связи с их большой нагрузкой и напряженной работой.

На основании проведенных исследований в 1944 г. были изданы Руководящие указания по расчету токов КЗ и выбору по режиму КЗ аппаратуры и проводников в установках высокого напряжения, которые с последующими дополнениями, изменениями и переработками действуют и в настоящее время. Были разработаны и начали широко внедряться средства линейной и противоаварийной автоматики — автоматические регуляторы возбуждения генераторов и частотной разгрузки систем.

В послевоенные годы (1950—1955 гг.) автоматические средства частотной разгрузки, регулирования напряжения, повторного включения и ввода резерва постоянно совершенствовались И. А. Сыромятниковым, Л. Г. Цукерником, С. С. Рокотяном, Д. И. Азарьевым, С. В. Усовым и другими учеными и стали обязательными для применения во всех ЭЭС страны.

Создание территориальных объединенных энергетических систем и формирование Единой энергетической системы СССР способствовали широкому проведению специальных теоретических и экспериментальных исследований вопросов дальнейшего внедрения противоаварийной автоматики, обеспечения устойчивости работы создаваемых систем. Возникла необходимость в нормировании требований к устойчивости объединенных энергетических систем. В 1964 г. были изданы Основные положения и временные руководящие указания па определению устойчивости энергетических систем.

По мере развития энергетических систем и их объединений усложнились решаемые задачи применения различных средств анализа и их последующего совершенствования. В 60-е годы широкое применение получили расчетные модели постоянного тока и статические модели переменного тока. В дальнейшем развитию исследований переходных процессов в электроустановках способствовало использование аналоговых машин непрерывного действия и электродинамических (физических) моделей, созданных в МЭИ, ИЭМ, ВНИИЭ, СибНИИЭ и в других организациях. Аналоговые машины применялись для исследования самовозбуждения, АРВ, влияния параметров синхронных машин на протекание переходных процессов и др. На физических моделях исследовались переходные процессы в сложных энергетических системах, принципы действия и оптимизации настройки устройств релейной защиты и противоаварийной автоматики, особенности режимов линий электропередач (ЛЭП) и др.

Моделирующие и расчетные устройства послужили основой для последующего создания и применения автоматизированных моделей переменного тока с динамическими элементами, моделирующими генераторами и нагрузками, а также гибридных устройств с комплексным использованием элементов аналоговой техники, статических моделей электрических сетей и элементов цифровой вычислительной техники. Гибридные устройства для исследований переходных процессов были созданы во ВНИИЭ, институте «Энергосеть-проект» и других организациях.

В последние годы в качестве основных средств для расчета и анализа переходных процессов в электроустановках используются цифровые вычислительные машины. Большое внимание уделяется также созданию и применению гибридных комплексов, содержащих физическую модель, аналоговые элементы для имитации действующих регулирующих устройств и управляющую электронную вычислительную машину (ЭВМ), которая позволяет автоматизировать управление и использовать современные методы обработки и контроля результатов исследования. Гибридные комплексы разрабатываются в Институте проблем моделирования в энергетике АН УССР, МЭИ, СибНИИЭ, НИИПТ и других организациях.

Для расчета токов КЗ с помощью ЭВМ широко применяются программы, разработанные в ИЭД АН УССР, институте «Энерго-сетьпроект», ЛПИ. Разработки алгоритмов и программ расчета электромеханических переходных процессов в энергетических системах нашли отражение в исследованиях ЛПИ, ЭНИН, ИЭД АН УССР, МЭИ, УПИ, СибНИИЭ, института «Энергосетьпроект» и других организаций.

В настоящее время пои расчетах статической устойчивости, исследованиях электромеханических переходных процессов, расчетах токов КЗ и решении ряда других задач большое внимание уделяется замене электрических систем эквивалентными, когда исходная математическая модель, описывающая поведение исследуемой системы, преобразуется в другую, более простую, но сохраняющую наиболее существенные свойства исследуемой системы.

Исследования, связанные с применением эквивалентных моделей для определения параметров и характеристик отдельных элементов системы, проводятся в АзНИИЭ, СибНИИЭ, МЭИ, ВНИИЭ, ИЭД АН УССР и в других организациях. Важное место при этом уделяется моделированию комплексной нагрузки, позволяющему учитывать поведение нагрузки при изменении режима, ее состава, параметров элементов схемы электроснабжения, степени загрузки асинхронных и синхронных двигателей и т. д.

Совершенствование расчетных моделей всех элементов энергетических систем, алгоритмов и программ для ЭВМ дает возможность анализировать переходные процессы как в энергетических системах в целом, СЭС предприятий, городов и сельского хозяйства, так и в нагрузке электрических систем.